L’eau pour l’électricité
À l’instar du néologisme américain “Watergy”, qui met en exergue les liens intrinsèques entre la production d’énergie et l’eau, et par réciprocité ceux qui lient la production d’eau et l’énergie, l’“Eaunergie” consiste en une nouvelle approche de la problématique d’ap- provisionnement de ces produits dans un contexte de plus en plus contraint par le réchauffement climatique, l’explosion démographique et la croissance mondiale. La pro- duction d’électricité, pour sa part, n’échappe pas à la règle et la consommation d’un kWh électrique doit maintenant être pour tous associée à celle d’une certaine quantité d’eau.
L’énergie est liée à l’eau de deux manières : d’une part il faut de l’énergie pour produire, traiter et distribuer l’eau, et d’autre part, la production d’énergie ne peut se faire sans en utiliser ou en produire (voir fiche "L’eau dans la production de carburants"). Cependant, les situations peuvent être très différentes selon les pays : si la part des prélèvements en eau pour la production d’énergie est de 50 % en France, elle est de 3 % en Inde.
Ce pays utilise par ailleurs 31 % de sa consommation d’électricité pour produire de l’eau, alors que ce chiffre n’est que de 3,4 % en France1.
L’électricité devient une forme d’énergie de plus en plus essentielle dans la croissance économique mondiale et l’importance de l’eau est différente selon les filières de production considérées. Si l’impact des prélèvements sur la ressource en eau par des procédés tels que l’hy- droélectricité ou la géothermie est incontestable, le fonctionnement des centrales thermiques à flamme ou nucléaires nécessite également d’utiliser de l’eau ; dans une moindre mesure, même le solaire ou l’éolien ont des besoins en eau.
Dans le cas de la production d’électricité, la mesure de la quantité d’eau utilisée doit se faire sur l’ensemble de la filière énergétique considérée. Outre l’eau utilisée par le fonctionnement d’une centrale thermique — qui est le poste le plus consommateur — un véritable bilan eau doit prendre en compte les consommations liées à la fabrication des matériaux de construction, celles néces- saires à la construction de la centrale, à son démantèle- ment et à l’extraction des matières premières (charbon, pétrole, gaz, uranium) qui lui servent de combustibles.
Origine de l’électricité
Mis à part le solaire photovoltaïque et l’éolien, le principe général de production repose sur la transformation d’une source d’énergie primaire en électricité via un couple turbine-alternateur.
Cette énergie peut provenir de différentes sources (figure 1) :
■ l’eau "naturelle" par effet de gravitation ou de courant (centrales hydroélectriques, marémotrices),
■ la vapeur (chaudières à charbon, biomasse, fioul, inci- nération d’ordures, usines géothermiques, centrales nucléaires, centrales solaires thermodynamiques),
■ la combustion de gaz (gaz fossiles, biogaz ou gaz de synthèse).
Fig. 1 - Production globale d’électricité par source et par scénario
*Autre correspond à la génération d'électricité à partir de la géothermie et des énergies marines Source : AIE, Energy Technology Perspectives 2010
le point sur
Autre*
Solaire Éolien Biomasse et déchet + CSC Biomasse et déchet Hydraulique Nucléaire Gaz naturel + CSC Gaz naturel Pétrole Charbon + CSC Charbon
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
2007 Base 2030 Base 2050 Blue Map 2050
PWh
(1) Goosens et Bonnet - 2001, Cai et al. - 2004
L’eau pour l’électricité
Quel est enjeu sur l’eau de toutes ces solutions techno- logiques ?
Utilisation de l’eau pour produire de l’électricité
L’ hydroélectricité et la géothermie : deux utilisations spécifiques de l’eau
L’hydroélectricité
L’hydroélectricité constitue un apport énergétique lié à la ressource en eau, utilisée dans le monde entier grâce à la construction de barrages. Il existe plus de 1 800 ins- tallations hydrauliques en France, depuis des centrales dites "au fil de l’eau" alimentées par des chutes de moins de 30 m de dénivelé, jusqu’aux centrales de
"hautes chutes" alimentées par des dénivelés de plus de 200 m. Le principe est simple : la puissance d’une chute d’eau canalisée est utilisée pour faire tourner des turbines couplées à des alternateurs. Cette puissance dépend de l’énergie potentielle de l’eau et de son débit.
Du point de vue des énergies renouvelables, l’hydro- électricité est de loin la première source renouvelable d’électricité (figure 2) dans le monde.
Fig. 2 - Sources renouvelables d’électricité
Source : AIE 2010
En 2007, la part de l’hydroélectricité dans le bilan élec- trique mondial approchait 16 %, mais ne représente que 2,15 % de la production mondiale d’énergie. Sur les quelques 20 000 TWh produits cette année là, plus de 3 000 l’avaient été par l’hydroélectricité.
Du point de vue de la ressource en eau, ces centrales restituent au milieu l’intégralité de l’eau nécessaire à l’ali- mentation des turbines. Une partie de cette eau est même parfois remontée dans le réservoir par des pompes élec- triques lorsque la demande en électricité est inférieure à la production du barrage. Cela permet de stocker cette éner- gie électrique produite, et non utilisée, sous forme d’éner- gie potentielle avec un bon rendement, de l’ordre de 90 %.
Cependant, le système des barrages hydrauliques n’en reste pas moins aussi consommateur d’eau en amont des turbines. En effet, une partie importante de l’eau stockée dans le réservoir disparait du cycle local de l’eau par évaporation. Selon les endroits, cette évapora- tion peut atteindre 6 à 8 fois la consommation d’une centrale nucléaire à cycle fermé.
La géothermie
La géothermie consiste à utiliser en surface la chaleur produite naturellement par le sous-sol. En effet, la tem- pérature s’accroît en moyenne de 3 °C par centaine de mètres d’enfouissement : on parle de gradient géother- mique. Cette source d’énergie souterraine chauffe soit l’eau présente dans les roches à des profondeurs de l’ordre du kilomètre, soit celle qu’on y injecte à partir de la surface.
L’eau produite est la plupart du temps utilisée comme source de chaleur de basse (environ 70 °C dans le cas de géothermie dédiée au chauffage urbain) ou très basse température (environ 10 °C proche de la surface du sol) dans le cas d’utilisation de pompes à chaleur domestiques, sans produire de l’électricité. Dans les cas particuliers où la température de la roche est élevée, au-delà de 150 °C dans les milieux volcaniques (cas d’"hyperthermie" ou géothermie haute énergie dite EGS (Enhanced Geothermal System) à Bouillante en Guadeloupe où la température passe de 20 °C en sur- face à 250 °C à 500 m de profondeur) ou dans les sous- sols dotés d’un gradient thermique particulièrement important (72 °C/km dans le cas de "semi-thermie" en Alsace), on peut alors utiliser l’eau en surface sous forme de vapeur pour alimenter des turbines et pro- duire de l’électricité.
Cette vapeur est ensuite condensée par les systèmes de refroidissement utilisant eux-même une source d’eau froide et l’eau condensée est alors réinjectée dans le sous-sol.
L’utilisation de l’eau dépend des caractéristiques de la ressource ainsi que des technologies de production d’électricité et de refroidissement. Dans l’exemple ci- dessous (figure 3), les données de consommation pour les États-Unis ne tiennent pas compte des injections éventuelles d’eau dans le système, qui pour l’instant ne sont pas encore bien évaluées dans le cas de l’EGS.
Cette consommation varie de zéro (refroidissement par air) à quelques m3/MWh pour un procédé de refroidisse- ment par eau (6,5 m3/MWh dans le cas d’une centrale d’1 MW dans le Nevada). Des systèmes de refroidissement hybrides ont des consommations intermédiaires de l’ordre de 500 l/MWh (450 l/MWh centrale de Puna, Hawaï).
le point sur
Ordure ménagère Biomasse solide Biogaz Biomasse liquide Géothermie Photovoltaïque Solaire thermique Énergie marine Éolien
Total renouvelables : 3 546 TWh
Hydraulique 86,8 %
Autre 13,2 %
L’eau pour l’électricité
Fig. 3 - Utilisation de l’eau dans les systèmes de refroidissement
Source : DOE, Argonne National Laboratory, Corrie Clark, Ph.D Environmental Science Division,
“Water Use and Large-Scale Geothermal Energy Production”. Présentation au “Water/Energy Sustainability Symposium at the GWPC Annual Forum 2009”
Utilisation de l’eau pour la génération d’électricité thermique
Pour fabriquer la vapeur, de l’eau déminéralisée et dégazée est envoyée vers la chaudière de la centrale thermique. La chaudière transfère à l’eau la chaleur dégagée par la combustion, qui se transforme ainsi en vapeur surchauffée et sous pression. On peut atteindre actuellement des valeurs supercritiques de vapeur d’eau de plus de 250 bar et 600 °C. La vapeur traverse ensuite le rotor de la turbine qu’elle met en rotation et par la suite l’alternateur auquel il est couplé.
La turbine peut fonctionner en évacuant la vapeur en sortie vers l’atmosphère, ce qui induit alors une perte énergétique importante. C’est pourquoi, à l’échap- pement est généralement installé un dispositif de récupération de calories. Ce dispositif peut être une installation industrielle utilisant de la vapeur pour ses procédés ou bien un condenseur de vapeur. Le condenseur permet de récupérer la vapeur sous forme liquide pour la renvoyer vers le générateur de vapeur, au sein d’un circuit fermé.
La vapeur en sortie de turbine est refroidie dans le condenseur par la circulation d’eau froide dans un cir- cuit secondaire (eau de mer, eau de rivière, air).
Ce principe de fonctionnement est le même pour toutes les centrales thermiques avec turbines à vapeur, quel que soit le combustible, fioul, gaz, incinération, biomasse, etc.
Les centrales ont donc aussi besoin d’une source froide pour condenser la vapeur à la sortie des turbines avant son retour vers la chaudière. L’eau de refroidissement est soit simplement captée dans une rivière en amont de la cen- trale ou dans la mer, puis renvoyée réchauffée de quelques degrés Celsius dans le milieu naturel, ou bien stockée dans un circuit de refroidissement où elle est partiellement éva- porée lors de son passage dans des tours aéro-réfrigé- rantes. Cette source froide peut être aussi l’air extérieur, mais avec dans ce cas une baisse de rendement de 10 à 20 % de la centrale, surtout dans les pays chauds.
Dans une centrale thermoélectrique, l’eau va de fait être répartie dans deux circuits indépendants (trois avec l’enceinte de confinement dans le cas des centrales nucléaires) :
■ le circuit générateur de vapeur qui est fermé et ne consomme que ce qui est nécessaire à sa mainte- nance, à l’instar d’un circuit de chauffage central domestique,
■ le circuit de refroidissement de la vapeur qui y est condensée après son passage dans la turbine avant d’être renvoyée dans la chaudière. Ce second circuit sera soit ouvert sur l’extérieur (refroidissement par de l’eau de rivière ou de mer), soit fermé avec une dissipation de l’énergie par réchauffement de l’air atmosphérique (20 à 25 %) et par évaporation (75 à 80 % de l’énergie restante) dans les tours de refroi- dissement (figures 4 et 5). Dans ces circuits (surtout le premier) sont ajoutés à l’eau des produits anticor- rosifs, biocides, antidépôts, etc., qui permettent d’ac- croître la durabilité des équipements, mais qui nécessitent le traitement des eaux de purge.
De plus, l’eau qui entre dans la centrale électrique doit avoir un niveau de pureté qui dépend du circuit dans lequel elle est utilisée. Celle qui en sort doit aussi dis- poser des qualités compatibles avec le respect de la réglementation environnementale et/ou des conventions passées avec les stations d’épuration locales. L’enjeu consiste donc à réduire les besoins en eau dans les pro- cédés, afin d’en limiter le traitement.
Les besoins en eau des centrales thermiques nucléaires comprennent le refroidissement des circuits auxiliaires nucléaires et industriels, soit 1,5 à 2 m3/s, ainsi que les eaux destinées aux conditionnements et à la compensa- tion des purges, soit 100 000 à 140 000 m3/an.
Actuellement, les industriels s’attachent à améliorer, outre l’efficacité énergétique, la sobriété en eau et en matières premières des procédés et à optimiser le recy- clage et le traitement de ces eaux.
Les besoins en eau des centrales électriques
Il est important de faire la distinction entre l’utilisation de l’eau et sa consommation. L’eau consommée n’est pas restituée dans le milieu car elle disparaît principa- lement par évaporation lors du refroidissement de la centrale.
La figure 6 montre le très faible pourcentage d’eau consommée par rapport à l’eau utilisée dans la filière thermoélectrique.
le point sur
Consommation en eau dans les systèmes de refroidissement
Prélèvement gal/MWhe
Min. Max. Min. Max.
Consommation
gal/MWhe Source
Refroidissement
en circuit ouvert 0 14 265 0 65 Hagedoorn 2006,
Dennen et al. 2007 Refroidissement
en circuit fermé 0 4 499 0 4 499 Dennen et al. 2007
Refroidissement
atmosphérique 0 0 0 0 Kagel et al. 2005
L’eau pour l’électricité
Fig. 4 - Centrale thermique à flamme à circuit de refroidissement ouvert
Source : B. Brolis
Fig. 5 - Centrale nucléaire à circuit de refroidissement fermé
Source : EDF
Fig. 6 - Comparaison des prélèvements et consommation nette pour différents usages de l’eau aux États-Unis
Source : USGS, Estimated Use of Water in the United States in 2000
Le circuit de refroidissement doit donc évacuer la part d’énergie thermique non transformée en énergie méca- nique, qui est de l’ordre de 1 800 MWth pour une cen- trale nucléaire d’une puissance de 900 MWe (cette
valeur est plus basse pour les autres centrales ther- miques qui ont un rendement plus élevé). Pour évacuer cette puissance thermique, il faut :
■ disposer d’eau en quantité suffisante : 40 à 57 m3/s ou 2 m3/s en fonction du type de circuit de refroidisse- ment, ouvert ou fermé,
■ viser la température et la pression les plus basses au condenseur pour un rendement maximum (passer d’environ 500 °C/170 bar en sortie de chaudière, à moins de 300 °C/10 bar en sortie de turbine),
■ limiter les impacts thermiques sur le milieu naturel.
Caractéristiques des circuits primaires et secondaires
■circuits fermés avec eau déminéralisée à pH contrôlé,
■volume d’eau respectif de 200 et 2 000 m3,
■purges et fuites éventuelles collectées et traitées avant rejet,
■prélèvement d’eau de l’ordre de 100 000 m3/an.
Caractéristiques des circuits tertiaires ou circuits de refroidissement de toutes les centrales thermiques
■volume d’eau de 25 à 50 000 m3,
■débit de circulation : 40 à 50 m3/s (par exemple le débit annuel moyen de la Seine à l’entrée de Paris est de 300 à 360 m3/s selon les années),
■prélèvement d’eau :
– 40 à 57 m3/s en circuit ouvert (1 000 Mm3/an) (figure 4),
– 2 m3/s en circuit fermé avec aéro-réfrigérant (50 Mm3/an) (figure 5).
Les centrales thermoélectriques à circuits de refroidisse- ment ouverts sont donc d’importantes utilisatrices d’eau, mais elles ne consomment qu’environ 5 % de l’eau préle- vée dans le milieu. Leur impact sur le stress hydrique d’une région sera donc faible, alors que l’impact d’une sécheresse pourra a contrario s’avérer très important sur la centrale, au point parfois de devoir en limiter sa pro- duction (exemple de la canicule de 2003 en France).
Évolutions attendues
Évolution du potentiel électrique mondial
La croissance démographique mondiale et le développe- ment économique poussent les nations à augmenter leur capacité électrique, principalement dans les pays émer- gents. Ces capacités sont aujourd’hui focalisées sur trois
le point sur
Alternateur
Pompe
Pompe Arrivée d’air
Arrivée de combustible
Circuit de refroidissement
Réservoir d’eau froide Chaudière
Brûleur Cheminée
Turbine
Fumées Air Combustibles Eau Vapeur d’eau
Bâtiment réacteur Salle des machines Réfrigérant atmosphérique
Les circuits d’eau d’une centrale thermique
Circuit secondaire Générateur
de vapeur Pressuriseur Grappes de
commande
Cœur du réacteur
Cuve Pompe primaire
Pompe
Turbine
Alternateur
Pompe de circulation
Appoint Vapeur d’eau
Purge Fleuve Circuit tertiaire
Circuit primaire
Énergie calorifique
Énergie mécanique
Énergie électrique
Prélèvement et consommation Une distinction importante
Commercial
Prélèvement (Ggal/j)
132
2,6
25,5 5,5 Élevage
134 26
9,6
Domestique
Consommation d’eau (Ggal/j)
Minier
107
7 Agriculture
1 Thermo électrique
3
Industriel 4 3 1
L’eau pour l’électricité
ressources (figure 7) : le charbon, l’hydraulique et dans une moindre mesure le gaz. Dans tous les cas, ces projets impacteront de plus en plus la ressource en eau, a fortiori dans les zones à stress hydrique croissant.
Fig. 7 - Les projets de construction de nouvelles centrales électriques dans le monde par ressource énergétiques
Note : Inclus les centrales électriques en construction en 2007 Source : Platt's World Electric Power Plants Database, janvier 2008
La réglementation
Dans un cadre mondial, il est nécessaire de disposer d’outils institutionnels et législatifs et de redéfinir la place des AELE (Activités économiques liées à l’eau) dans cette dynamique.
Il en est ainsi au niveau européen avec les directives 2000/60/CE du Parlement européen et du Conseil du 23 octobre 2000, établissant un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l’eau, et 2006/118/CE du 12 décembre 2006, sur la protection des eaux souterraines contre la pollution et leur détériora- tion. Ces lois européennes sont transposées et complé- tées en France par les lois sur l’eau de 1976, du 10 février 2000, et plus récemment par la loi de pro- gramme de 2005 (loi POPE), le plan Climat 2004-2012 et les lois Grenelle I et II, qui assurent un nouveau modèle de développement durable respectant l’environnement, qui se combine avec une diminution des consommations en énergie, en eau et autres ressources naturelles.
Les axes de recherche et de développement
De leur côté, les industriels de l’électricité travaillent sur les technologies du futur et à l’amélioration des technolo- gies actuelles dans le but de minimiser l’utilisation de l’eau.
Il s’agit de minimiser en priorité la quantité d’eau consommée par les procédés de refroidissement en
optimisant les performances et diminuant les coûts. De nombreux thèmes de recherche sont en cours d’investiga- tion à ce sujet en Europe et aux États-Unis, parmi lesquels :
■ développer les procédés de refroidissement secs (ventilateurs),
■ améliorer l’efficacité des tours aéro-réfrigérantes,
■ utiliser des sources d’eau non conventionnelles – mines, eaux de production des exploitations des différents types d’hydrocarbures (gaz, huile, gaz de charbon, gaz de schistes, etc.), eau produite par les stockages de CO2, etc.,
■ utiliser l’eau d’aquifères salins,
■ utiliser les eaux usées municipales,
■ utiliser les eaux usées industrielles,
■ développer de nouvelles technologies de traitement de l’eau,
■ développer de nouveaux condenseurs à membranes,
■ optimiser les centrales électriques,
■ développer les systèmes de récupération d’eau dans les fumées de combustion,
■ développer les logiciels de modélisation des procédés et des systèmes.
Le cas de la France
En France, la production d’énergie électrique (essentiel- lement d’origine nucléaire) est de loin le secteur qui prélève les plus grandes quantités d’eau. En 2007, 59 % des volumes prélevés ont servi à refroidir les centrales de production d’électricité, le reste étant réparti entre les besoins en eau potable (18 %), l’irrigation des cultures (15 %), et l’industrie (9 %). Mais, d’après l’Institut fran- çais de l’environnement, les taux de consommation moyens (ratio entre volume non restitué et volume pré- levé) sont de 0,7 % pour l’électricité, 24 % pour l’eau potable, 100 % pour l’irrigation, et 7 % pour l’industrie.
La somme globale des prélèvements en eau représente en France 24 % de la ressource annuelle disponible : 40 Gm3, sur les 170 Gm3disponibles. Sur ce total, les consomma- tions nettes (volumes d’eau non restitués immédiatement dans le milieu ou évaporés) s’élèvent à 6 Gm3, le reste (34 Gm3) étant restitué au milieu naturel. De ces 6 Gm3 d’eau de consommations nettes, 8 % environ sont consom- més par la production d’électricité, soit 500 Mm3.
Depuis le début des années 90, les prélèvements d’eau ont diminué avec le passage d’un grand nombre de cen- trales d’un circuit "ouvert" à un circuit "fermé", en contre- partie d’un accroissement de la consommation.
Sur les 19 centrales nucléaires que compte la France, 4 sont en bord de mer (Manche et mer du Nord) et 15 en bord de fleuve ou de rivière. Ces sites en activité ont des
le point sur
250
200
150
100
50
0
Charbon Gaz Pétrole Nucléaire Hydraulique Éolien Autres renouvelables
GW
Non OCDE OCDE Total = 613 GW
besoins en eau liés aux procédés de refroidissement en circuit fermé avec utilisation d’aéro-réfrigérants, ou en circuit ouvert (figure 8).
Fig. 8 - Utilisation et consommation de l’industrie électrique nucléaire en bord de rivière en France
Source : EDF, Direction des projets nouveaux - 2007
Fig. 9 - Moyenne des besoins en eau du parc français de centrales électriques
Source : EDF, Direction des projets nouveaux - 2007
En ce qui concerne les centrales thermiques à flamme, les consommations sont du même ordre de grandeur.
Cependant, si la très grande majorité de l’eau prélevée (figure 9) pour le fonctionnement des centrales élec- triques est restituée dans le milieu naturel, elle peut le perturber par sa température plus élevée. En effet, les rejets d’eau des centrales thermiques dans le milieu naturel sont plus chauds que sur le lieu de leur captage.
Le réchauffement d’un cours d’eau utilisé par une cen- trale électrique en circuit ouvert est limité au cas par cas en France par arrêté préfectoral, à une dizaine de degrés.
C’est en été où les débits des cours d’eau peuvent être limités et variables et où les températures ambiantes sont élevées, que la gestion de ces contraintes thermiques impose parfois des réductions de puissance, ou néces- site des dérogations exceptionnelles de dépassement des maxima légaux, de 1 à 3 °C, entre l’amont et l’aval de la centrale. Dans le cas de Gravelines par exemple, où la source froide est la mer, l’eau prélevée à moins de 20 °C à l’entrée de la centrale, atteint 30 °C en sortie.
L’arrêté de rejet fixe le maximum à 35 °C.
Conclusion
L’eau et l’énergie sont donc deux ressources essentielles pour le développement de l’humanité. Or, dans la plupart des pays, et dans un contexte de réchauffement clima- tique déjà amorcé, leur demande ne cesse de croître au point d’avoir déjà engendré des tensions géopolitiques graves.
Dans ce contexte, les besoins en eau de refroidissement des centrales électriques thermiques nécessitent des débits d’eau qui pourraient dans certains cas devenir critiques pour leur bon fonctionnement. Les futurs sites de production d’électricité seront donc implantés en tenant compte des paramètres inhérents à la garantie de la ressource en eau tout au long de leur durée de vie.
Les circuits de refroidissement utilisés, circuits ouverts ou fermés avec aéro-réfrigérants, sont actuellement classés parmi les "meilleures techniques disponibles"
selon la directive européenne relative à la Prévention et réduction intégrée de la pollution (IPPC, Integrated Pollution Prevention and Control).
Cependant, des recherches sont menées afin de réduire encore l’impact des rejets sur le milieu et, pour les circuits fermés, de diminuer le besoin en eau prélevée et d’évaluer la faisabilité de systèmes de récupération de l’eau évaporée.
Patrick-Paul Duval - patrick.duval@ifpen.fr avec la participation de René Samie, EDF - rene.samie@edf.fr Manuscrit remis en novembre 2010
www.ifpenergiesnouvelles.fr
Établissement de Lyon
Rond-point de l’échangeur de Solaize BP 3 – 69360 Solaize – France Tél. : + 33 4 37 70 20 20 IFP Energies nouvelles
1 et 4, avenue de Bois-Préau
92852 Rueil-Malmaison Cedex – France Tél. : + 33 1 47 52 60 00 – Fax : + 33 1 47 52 70 00
L’eau pour l’électricité le point sur
Centrale nucléaire Eau prélevée
(l/kWh)
Eau évaporée (l/kWh)
Circuit ouvert 160 6
Circuit fermé 6 2
Eau prélevée par les centrales nucléaires en bord de rivière
Eau prélevée en rivière 16,5 milliards de m3 Eau prélevée par les aéro-réfrigérants 0,5 milliards de m3
Électricité produite 294 milliards de kWh
Eau prélevée/électricité produite 56 l/kWh Eau évaporée/électricité produite 1,7 l/kWh
Les besoins quantitatifs en eau
Quelques données 2005 pour le parc EDF (thermique à flamme et nucléaire)
Électricité produite
42 milliards de m3 Eau prélevée
450 milliards de kWh Eau prélevée/électricité produite 94 l/kWh
Water for electricity
The neologism “Watergy”, which highlights the intrinsic links between energy production and water and, conversely, between water production and energy, expresses a new approach to the problem of procuring these products in a world increasingly facing pressure from global warming, a population explosion and international growth. The production of electricity is no exception, and consumption of a single electrical kWh must now be inextricably bound with consumption of a given quantity of water.
Energy is tied to water in two ways. First, you need energy to produce, treat and distribute water, and sec- ond, energy production is impossible without the use or production of water (see Panorama article "Water in fuel production"). However, circumstances can vary consid- erably from country to country: while in France the share of water withdrawn for energy production is 50%, India uses just 3% of its water to generate power.
Meanwhile, 31% of India’s power consumption goes to water production, whereas in France that figure is just 3.4%1.
Electricity is becoming an increasingly essential form of energy for the world economic growth, and the impor- tance of water will vary depending on the production chain used. While processes such as hydroelectricity and geothermal energy undeniably usurp water resources, a thermal or nuclear power plants also requires the use of water; and to a lesser extent, solar and wind energy demand water as well.
When considering electricity production, the volume of water used must be measured across the entire energy chain in question. In addition to the water used in a thermal power plant — which accounts for the largest share of consumption — an accurate water assessment must include water consumed in the manufacture of construction materials, along with the water needed to build and dismantle the plant and to extract the raw materials (coal, oil, gas, uranium) used as fuel for the plant.
How generating electricity?
If we exclude photovoltaic solar power and wind power, the general principle behind power generation is to con- vert a primary energy source into electricity by means of a turbo-alternator.
Fig. 1 - Global electricity production by source and scenario
*Other includes electricity generation from geothermal and ocean technologies Source: IEA, Energy Technology Perspectives 2010
The energy can come from a variety of sources (Figure 1):
■ "natural" water via gravity or current (hydroelectric power plants, tidal power),
■ steam (coal-powered boilers, biomass, fuel oil, waste incineration, geothermal plants, nuclear power plants, thermodynamic solar plants),
■ gas combustion (fossil gas, biogas or synthetic natural gas).
a look at
(1) Goosens and Bonnet - 2001, Cai et al.- 2004
Other*
Solar Wind Biomass and waste + CCS Biomass and waste Hydraulic Nuclear Natural gas + CCS Natural gas Oil Coal + CCS Coal
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
2007 Baseline 2030
Baseline 2050
Blue Map 2050
PWh
Water for electricity
What challenges does water pose for all of these tech- nological solutions?
The use of water to generate electricity
Hydroelectric power and geothermal power: two specific uses of water
Hydroelectric power
Hydroelectricity is a method of obtaining energy from water resources that is used worldwide via the con- struction of dams. There are over 1,800 hydroelectric facilities in France, from so-called "run-of-river" plants powered by elevation drops of less than 30 m to "high head" plants that use drops of more than 200 m to pro- duce power. The idea is a simple one: the power of a channelled waterfall is used to rotate turbines con- nected to alternators. The power level depends on the water’s potential energy and flow rate.
In terms of renewable energy, hydroelectricity is far and away the leading renewable source of electricity world- wide (Figure 2).
Fig. 2 - Renewable sources of electricity
Source: IEA, 2010
As of 2007, hydroelectric power accounted for nearly 16%
of the world’s electricity balance, but only 2.15% of world energy production. Of the approximately 20,000 TWh gen- erated in 2007, more than 3,000 TWh were obtained via hydroelectricity.
With regard to water resources, these plants return to the environment all of the water needed to power the turbines. In some cases, a portion of this water is even diverted to the reservoirs by means of electric pumps, when demand for electricity is lower than the dam’s production. As a result, the unused electrical energy generated can be stored as potential energy with high efficiency, on the order of 90%.
However, the system of hydraulic dams is just as water- intensive upstream from the turbines. A significant portion
of the water stored in the reservoir disappears from the local water cycle as a result of evaporation. Depending on the location, the evaporation volume can be six to eight times the amount of water consumed by a closed-cycle nuclear reactor.
Geothermal energy
Geothermal energy consists of making surface use of heat that is produced naturally underground. Temperatures rise an average of 3°C for each hundred metres below the surface, a phenomenon known as the geothermal gradi- ent. This underground energy source heats either the water found in rocks at a depth of about one kilometre, or water injected from the surface.
In most cases, this heated water is used as a source of low- grade heat (about 70°C when geothermal energy is used for district heating) or very low-grade heat (about 10°C near the surface) when used for residential heat pumps without power generation. In specific cases where the rock temper- ature is high, above 150°C in volcanic areas, as in the EGS (Enhanced Geothermal System), used in Bouillante, Guadeloupe, where the temperature rises from 20°C at the surface to 250°C at a depth of 500 m, or where there is a particularly steep thermal gradient underground (72°C/km in Alsace), the water can be used at the surface as steam to power turbines and generate electricity.
This steam is then condensed using cooling systems that in turn require a source of cold water, and the con- densed water is then reinjected underground.
The use of water depends on its characteristics and on the technology used to generate electricity and cool the water. In the example below (Figure 3), the consumption data for the United States does not reflect any injection of water into the system, which, in the case of EGS, has yet to be precisely assessed.
Fig. 3 - Cooling system water use
Source: DOE, Argonne National Laboratory, Corrie Clark, Ph.D Environmental Science Division,
"Water Use and Large-Scale Geothermal Energy Production". Communication "Water/Energy Sustainability Symposium at the GWPC Annual Forum 2009"
Consumption varies from zero (air cooling) to several m3/MWh when a water cooling process is used (for exam- ple, at a 1 MW plant in Nevada, the figure is 6.5 m3/MWh).
Hybrid cooling systems consume approximately 500 l/MWh,
a look at
Renewable municipal waste Solid biomass
Biogas Liquid biomass Geothermal Solar PV Solar CSP Ocean Wind
Total renewables: 3,546 TWh
Hydraulic 86.8%
Other 13.2%
Water consumption at geothermal plants
Withdrawal gal/MWhe
Low High Low High
Consumption
gal/MWhe Sources
Cooling, open loop 0 14,265 0 65 Hagedoorn 2006,
Dennen et al. 2007 Cooling, closed loop
(wet) 0 4,499 0 4,499 Dennen et al. 2007
Cooling, dry air 0 0 0 0 Kagel et al. 2005
Water for electricity
midway between these extremes (e.g., 450 l/MWh at a plant in Puna, Hawaii).
The use of water to generate thermal power
In order to produce steam, demineralized, degassed water is conveyed to the thermal power plant’s boiler. The boiler transfers combustion heat to the water, converting it to superheated, pressurized steam. We can now achieve supercritical water vapour with pressure exceeding 250 bar and a temperature of 600°C. The steam then passes through the turbine rotor, causing not only the tur- bine to rotate but also, by extension, the attached alternator.
The turbine can operate by discharging the steam into the atmosphere, which results in significant loss of energy. Consequently, a heat recovery unit is generally installed at the turbine exhaust. This may be an indus- trial installation that uses steam for its own processes, or it may be a steam condenser. The condenser can be used to recover steam in liquid form for delivery to the steam generator as part of a closed loop.
The steam leaving the turbine is cooled in the condenser by the circulation of cold water (such as seawater, river water, etc.) in a secondary circuit.
Every steam-turbine thermal power plant adheres to this same operating principle, regardless of the fuel used (fuel oil, gas, waste incineration, biomass, etc.).
Thus, the plants require a source of cold water to condense the steam leaving the turbines before it is returned to the boiler. The cooling water can simply be captured from a river upstream of the plant or from the sea and then returned to the natural environment, at a temperature that is warmer by a few degrees Celsius, or it can be stored in a coolant circuit, where it partially evaporates while passing through water cooling towers. Outside air can also be used as the cooling source, but that solution reduces plant effi- ciency by 10% to 20%, especially in warm countries.
In a thermoelectric power plant, the water will actually be channelled into two separate circuits (three if you include the containment system at nuclear plants):
■ the circuit for generating steam, which is closed and uses only as much water as it needs for maintenance purposes, similar to a residential central heating system,
■ the circuit for cooling the steam, which condenses the steam once it passes through the turbine and then returns it to the boiler. This second circuit will either be open to the outside (with cooling via river or sea- water), or closed, in which case energy is dissipated (at a rate of 20% to 25%) through warmth conveyed to outside air or through evaporation (75% to 80% of the remaining energy) in the cooling towers (Figures 4
and 5). In each of these circuits (notably the former), anti-corrosion products, biocides, descaling agents, etc., are added to the water in order to extend the equipment’s lifespan, but the make-up water must be treated as a result.
Moreover, the water entering the power plant must have a certain level of purity, depending on the circuit in which it is used. The water leaving the plant must also comply with environmental regulations and/or agreements signed with local wastewater treatment plants. Thus, the challenge is to reduce the amount of process water required so as to limit the need for water treatment.
Thermal nuclear power plants need water in order to cool auxiliary nuclear and industrial circuits (at a rate of 1.5 - 2 m3/s) as well as for conditioning purposes and to make up for blow-off water (100,000 - 140,000 m3annually).
Fig. 4 - Combustion turbine power plant with open loop
Source: B. Brolis
Fig. 5 - Nuclear power plant with closed loop
Source: EDF
Today’s manufacturers are committed not just to improving their energy efficiency, but also to reducing their use of water and raw materials in industrial pro- cesses and enhancing their water recycling and treat- ment efforts.
a look at
Generator
Pump
Pump Air intake
Fuel intake
Cooling loop
Cold water tank Furnace
Burner Chimney
Turbine
Flue gas Air Fuel Water Steam
Reactor vessel and its containment structure
Machine room Cooling tower
The water loops in a power plant
Pump
Turbine
Reserve Steam
Make-up River Steam generator
Pressurizer Control rods
Reactor core
Tank Primary pump Primary (reactor plant) water circuit
Secondary (steam plant) water circuit Thermal
energy
Electrical energy Mechanical
energy
Alternator
Circulation pump
Cooling water system
Water for electricity
Water needs at electrical power plants
It is important to distinguish between water withdrawal and water consumption. Consumed water disappears, primarily as a result of evaporation as the plant is cooled, and is not returned to the environment.
Figure 6 indicates the very small percentage of con- sumed water by comparison with the amount of water used in the thermoelectric process.
Fig. 6 - Comparison of withdrawal and net consumption for various water applications in the USA
Source: USGS, Estimated Use of Water in the United States in 2000
Characteristics of primary and secondary circuits
■closed loop with demineralized water and control- led pH,
■water volume of 200 and 2,000 m3respectively,
■make-up and any leaks are collected and treated prior to discharge,
■about 100,000 m3of water is withdrawn annually.
Characteristics of tertiary circuits or cooling circuits at all thermal power plants
■water volume of 25,000 - 50,000 m3,
■flow rate: 40 - 50 m3/s (by way of comparison, the average annual flow of the Seine where it enters Paris ranges from 300 to 360 m3/s from year to year),
■water diversion:
– 40 - 57 m3/s in an open loop (1 Gm3/year) (Figure 4), – 2 m3/s in a closed loop with a cooling tower
(50 Mm3/year) (Figure 5).
The cooling circuit must therefore eliminate the portion of thermal energy that is not converted to mechanical energy, which amounts to about 1,800 MWth for a 900-
MWe capacity nuclear plant (this value is lower for other thermal power plants that have a higher output). In order to eliminate this thermal capacity:
■ there must be an adequate supply of water on hand:
40 - 57 m3/s or 2 m3/s, depending on whether the cooling circuit is open or closed,
■ the condenser must be configured to the lowest pos- sible temperature and pressure for maximum efficiency (to drop from about 500°C/170 bar at the boiler output to less than 300°C/10 bar at the turbine output),
■ the thermal impact on the natural environment must be kept to a minimum.
Thermoelectric power plants with open cooling circuits are intensive users of water, but they consume only about 5% of the water taken from the environment. Their impact on a region’s water stress will therefore be low. A drought, on the other hand, could have a very significant impact on the plant, in some cases to the point of limiting its produc- tion (as during the 2003 heatwave in France).
Anticipated developments
Change in the world’s power generation potential World population growth and economic development are prompting nations (and emerging countries in particu- lar) to expand their power generation capacity. Currently this capacity is focused on three resources (Figure 7):
coal, hydropower and (to a lesser extent) gas. In each case, these projects are having a greater impact on water resources, especially in areas marked by increas- ing water stress.
Fig. 7 - New power plants under construction worlwide
Note: Include power plants considered as under construction in 2007 Source: Platt's World Electric Power Plants Database,January 2008 version
a look at
Withdrawal and consumption An important distinction
Commercial
Withdrawal (BGD)
132
2.6
25.5 5.5 Livestock
134 9.6 26
Domestic
Water consumption (BGD)
Mining
107 7
Agriculture 1
Thermoelectric 3
Industrial 4 3 1
250
200
150
100
50
0
Coal Gas Oil Nuclear Hydraulic Wind Rest of
renewables
GW
Non-OECD OECD Total = 613 GW
Water for electricity
Regulatory environment
Institutional and legislative mechanisms need to be in place worldwide, and the role of water-related economic activities within this dynamic must be redefined.
At the European level, these mechanisms include Directive 2000/60/EC, adopted on 23 October 2000 by the European Parliament and the Council, establish- ing a framework for a Community policy on water, and Directive 2006/118/EC of 12 December 2006, on the protection of groundwater against pollution and dete- rioration. In France, these laws have been transposed and they are supplemented by the 1976 water act and the legislation passed on 10 February 2000, and more recently by the 2005 POPE Law, the 2004-2012 Climate Plan and the First and Second Grenelle Acts, in which a new model for sustainable development with regard to the environment is coupled with lower consumption of energy, water and other natural resources.
3.3. Areas of research and development
For its part, the electricity industry is developing tech- nology for the future and enhancing current technology with the aim of minimizing water use.
The primary goal is to reduce the quantity of water con- sumed by cooling processes while enhancing efficiency and cutting costs. Researchers in Europe and the USA are investigating numerous topics in this area, such as:
■developing dry cooling processes (cooling fans),
■creating more efficient water cooling towers,
■using unconventional sources of water: mines, pro- duction water from applications involving various types of hydrocarbons (gas, oil, coal gas, shale gas, etc.), water produced by CO2 storage, etc.,
■using water from saline aquifers,
■using municipal wastewater,
■using industrial wastewater,
■developing new forms of water treatment technology,
■developing new membrane condensers,
■improving electrical power plants,
■developing systems for water recovery from combus- tion flue gas,
■developing software for modelling processes and sys- tems.
The situation in France
In France, electrical energy production (primarily at nuclear reactors) uses significantly more water than any other sector. In 2007, 59% of water withdrawn
from the environment was used to cool power sta- tions; the rest was used for potable water needs (18%), crop irrigation (15%) and industry (9%).
According to the French Environment Institute (IFEN), average consumption rates (i.e., the proportion of diverted water that is not returned to the environment) are 0.7% for electricity, 24% for potable water, 100%
for irrigation and 7% for industry.
In all, France withdraws 24% of its total available water resources: 40 Gm3, out of a total 170 Gm3 avail- able. Of this total, net consumption (the volume of water that is not immediately returned to the environ- ment or does not evaporate) amounts to 6 Gm3; the remainder (34 Gm3) is returned to its source. Of this 6 Gm3 of net consumption, approximately 8% is consumed in power generation, i.e., 500 Gm3.
Since the start of the 1990s, the volume of water with- drawn has diminished, offsetting higher consumption rates, as a large number of open loop plants switch to closed loop ones.
Of France’s 19 nuclear power plants, 4 are on the sea coast (the Channel and the North Sea), while 15 are located alongside rivers. These active sites require water for cooling in closed circuits with water cooling towers or in open circuits (Figure 8).
Fig. 8 - Water use and consumption by nuclear power plants located alongside rivers in France
Source: EDF/DPN, 2007
Consumption at combustion turbine power plants is of the same order of magnitude.
Although, the preponderant share of the water that is withdrawn for use at power plants is returned to the natural environment (Figure 9), it may disrupt its milieu by its higher temperature: water discharged
a look at
Nuclear power plant Withdrawn water
(l/kWh)
Evaporated water (l/kWh)
Open loop 160 6
Closed loop 6 2
Water diverted by nuclear plants alongside the river
Water taken from the river 16.5 billion m3 Water evaporated from cooling towers 0.5 billion m3
Electricity generated 294 billion kWh
withdrawn water/electricity generated 56 l/kWh Evaporated water/electricity generated 1.7 l/kWh
from thermal power plants is warmer than at the time it was captured. By decree in France, the water used in open loop power plants may be warmer by no more than about ten degrees, depending on the prefecture of the departement where the plant is located.
Fig. 9 - Average water needs for France’s electrical power plants
Source: EDF/DPN, 2007
In summer, when stream flows may be limited or vari- able and ambient temperatures are high, these temper- ature restrictions occasionally entail power cutbacks or special waivers to exceed the legal limits by 1 to 3°C between the areas upstream and downstream of the plant. At Gravelines, for example, which borders the sea, the water temperature is below 20°C where the water is diverted into the plant but rises to 30° at the discharge point. Under local law, the discharge temper- ature may not exceed 35°C.
Conclusion
Water and energy are two essential resources for humanity’s development. In the majority of countries, at a time of continuing global warming, demand for these resources is growing steadily and has already given rise to serious geopolitical tensions.
Against this backdrop, thermal power plants require a flow of water for cooling purposes that, in some cases, could prove critical for proper plant operations. Any deci- sion regarding the site of future power production plants will take into account those factors that ensure access to water resources throughout the life of the installation.
The cooling circuits used at these plants, both open loops and closed loops used with water cooling towers, are currently classified among the "best available tech- niques" according to the EU’s IPPC Directive on Integrated Pollution Prevention and Control.
Nonetheless, research is underway to reduce still fur- ther the environmental impact of the water discharged from these plants, to limit the quantity of water that must be withdrawn to the facilities, and to assess the feasibility of systems that recover evaporated water.
Patrick-Paul Duval - patrick.duval@ifpen.fr assisted by René Samie of EDF - rene.samie@edf.fr Final draft submitted in November 2010
www.ifpenergiesnouvelles.com
IFP Energies nouvelles-Lyon Rond-point de l’échangeur de Solaize BP 3 – 69360 Solaize – France Tel.: +33 4 37 70 20 00 IFP Energies nouvelles
1 et 4, avenue de Bois-Préau
92852 Rueil-Malmaison Cedex – France Tel.: +33 1 47 52 60 00 – Fax: +33 1 47 52 70 00
Water for electricity a look at
Quantity of water required
2005 data for all EDF facilities (nuclar and coal or gas fired power plant)
Electricity generated
42 billion m3 Withdrawn water
450 billion kWh Withdrawn water/electricity generated 94 l/kWh
